WIWAM高通量植物表型成像分析平臺(tái)-中度干旱脅迫下生長(zhǎng)反應(yīng)

大面積的可耕地經(jīng)常面臨不規(guī)則降雨，導(dǎo)致部分生長(zhǎng)季節(jié)的可用水量有限，這就需要對(duì)植物的耐旱性進(jìn)行研究。在324份擬南芥自然材料中，觀察了中度干旱脅迫下生物量積累的自然變異。干旱脅迫下的改良表現(xiàn)與早花和缺乏春化需求相關(guān)，表明開花時(shí)間和干旱反應(yīng)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)重疊，或這些性狀對(duì)自然選擇的相關(guān)反應(yīng)。此外，植株大小與相對(duì)含水量（RWC）呈負(fù)相關(guān)，與絕對(duì)含水量（WC）無關(guān)，表明可溶性化合物的作用顯著。控制和干旱條件下的生長(zhǎng)隨時(shí)間而確定，并通過指數(shù)函數(shù)建模。通過對(duì)植物大小時(shí)間數(shù)據(jù)和模型參數(shù)的全基因組關(guān)聯(lián)（GWA）作圖，檢測(cè)到六個(gè)與干旱密切相關(guān)的時(shí)間依賴性數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL）。如果在單個(gè)時(shí)間點(diǎn)確定植株大小，大多數(shù)QTL將無法識(shí)別。對(duì)早期報(bào)道的干旱時(shí)基因表達(dá)變化的分析使我們能夠確定每個(gè)QTL最可能的候選基因。

圖1. 蓮座鮮重（FW）（a）、相對(duì)含水量（RWC）（b）和指數(shù)模型參數(shù)的頻率分布

中度干旱脅迫下的生長(zhǎng)減少導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)期間對(duì)照植物和干旱處理植物之間的植物大小差異增加。在干旱處理開始兩天后（第16 天），與對(duì)照相比，干旱導(dǎo)致的生長(zhǎng)減少導(dǎo)致植株明顯變小。最后，在中等干旱脅迫下生物量平均減少 35%。然而，在對(duì)照和干旱條件下的種質(zhì)中觀察到植物大小的很大差異（圖 1a）。這些差異在很大程度上是由基因型決定的，因?yàn)樵趦煞N條件下，花環(huán)的PLA和FW都具有中等至高度的遺傳力。

為了研究干旱條件下植物性能的自然變化是否與植物水分狀況有關(guān)，在第24天測(cè)定每株植物最大葉片的RWC和WC。這兩個(gè)參數(shù)代表水分狀況的不同方面。 WC表示葉子中水的實(shí)際百分比，低 WC 表示葉子開始枯萎，代謝過程停止，從而阻止進(jìn)一步的生長(zhǎng)。另一方面，RWC 將實(shí)際 WC 與*再水化葉子的 WC 進(jìn)行比較。含有較少水或較多可溶性化合物或兩者組合的葉子獲得低 RWC。植物在可用水量有限的情況下保持高 WC 的策略之一是增加葉子內(nèi)可溶性化合物的量，以改善流向葉子的水通量并限制蒸發(fā)。在應(yīng)用的中度干旱條件下未觀察到萎蔫，這對(duì)應(yīng)于在干旱條件下觀察到的所有植物的WC為75%或更高（圖1b）。缺乏萎蔫證實(shí)達(dá)到了施加溫和而不是嚴(yán)重干旱的目標(biāo)。WC的變化是有限的；93% 的所有植物（包括對(duì)照和中度干旱處理的植物）的水平在88%和93%之間，表明RWC的差異在很大程度上是由于內(nèi)部滲透勢(shì)的變化。在對(duì)照和干旱條件下的種質(zhì)之間觀察到 RWC 的變化（圖 1b）。

圖2.兩個(gè)對(duì)干旱反應(yīng)相反的材料在控制和干旱脅迫條件下的生長(zhǎng)曲線

種質(zhì)之間的差異不僅在兩種條件下觀察到植物大小，還觀察到干旱響應(yīng)，從在對(duì)照和干旱條件下具有相似生長(zhǎng)的種質(zhì)（圖 2a）到最終蓮座大小減少超過 50%（圖 2b）。此外，觀察到干旱時(shí)生長(zhǎng)減少開始時(shí)間的變化。為了比較植物大小差異很大的種質(zhì)對(duì)干旱的生長(zhǎng)響應(yīng)，本文計(jì)算了對(duì)照和干旱條件下植物大小之間線性回歸的殘差。殘差代表在控制條件下與植物大小無關(guān)的干旱響應(yīng)。正殘差表示增長(zhǎng)下降幅度小于平均值，而負(fù)殘差表示增長(zhǎng)率下降幅度大于平均值。

圖3.在第28天抽薹和不抽薹的植株之間的比較

早在第一個(gè)種質(zhì)開始抽薹之前（從第11天開始），早抽薹個(gè)體和晚期抽薹個(gè)體之間的植物大小存在顯著差異。在對(duì)照和干旱條件下，抽薹或開花植物在 28 天后具有比營(yíng)養(yǎng)植物更大的蓮座（圖3a）。此外，以FW殘差為代表的干旱響應(yīng)在兩個(gè)抽薹時(shí)間等級(jí)中是相反的（圖3b）。早期抽薹種質(zhì)在干旱時(shí)表現(xiàn)優(yōu)于平均水平，而晚期抽薹型種質(zhì)表現(xiàn)低于平均水平。當(dāng)在冬季和夏季一年生植物之間進(jìn)行相同的比較時(shí)，觀察到類似的趨勢(shì)。

圖4. Manhattan圖表示單核苷酸多態(tài)性（SNP）標(biāo)記與對(duì)照和干旱條件下的若干性狀之間的關(guān)聯(lián)，以及表示干旱響應(yīng)的相應(yīng)殘差，與對(duì)照條件下的性狀值無關(guān)

6個(gè)QTL與控制條件下的模型參數(shù)相關(guān)（圖 4a），3個(gè)QTL 與控制條件下的FW和PLA相關(guān)（圖4d）。在干旱條件下，三個(gè) QTL與FWand PLA 相關(guān)（圖 4e），另外三個(gè)與相應(yīng)的殘差相關(guān)（圖 4f）。對(duì)于干旱條件下的模型參數(shù)和相應(yīng)的殘差（圖 4b、c）、對(duì)照或干旱條件下的RWC或相應(yīng)的殘差（圖4g），沒有發(fā)現(xiàn)強(qiáng)關(guān)聯(lián)。每個(gè)SNP可以解釋總表型變異的6%到9%。對(duì)于與對(duì)照和干旱條件下的性狀相關(guān)的SNP，該百分比處于相同的范圍內(nèi)。這些百分比強(qiáng)調(diào)生物量積累是一個(gè)復(fù)雜的性狀，在控制和干旱條件下，它受許多小效應(yīng)基因的調(diào)控。